DE102015120768A1

DE102015120768A1 - Verfahren zum Befüllen von durch Streckblasen hergestellten Kunststoffbehältern

Info

Publication number: DE102015120768A1
Application number: DE102015120768.0A
Authority: DE
Inventors: Olaf MUSZINSKI
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2017093078A1; US20180354768A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen von durch Streckblasen hergestellten Kunststoff-Behältern (25), ins besondere aus PET mit einer, insbesondere CO2-haltigen, Flüssigkeit (30). Der vom Streckblasen kommende heiße Behälter wird unmittelbar nach dem Streckblasen mit der Flüssigkeit befüllt, wobei der Behälter (25) während des Beginns der Befüllung unter einen ersten Druck (p1) gesetzt wird und der Druck im Behälter mit abnehmender Behältertemperatur und/oder zunehmendem Füllgrad auf wenigstens einen zweiten Druck (p2) erhöht wird, der höher als der erste Druck ist. Auf diese Weise kann der noch heiße Behälter unmittelbar nach dem Streckblasen gefüllt werden, ohne sich zu verformen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen von durch Streckblasen hergestellten Kunststoffbehältern, insbesondere auch Kunststoffbehälter mit der äußeren Gestalt üblicher Getränkedosen, PET-Flaschen, oder Kegs mit einer insbesondere CO₂-haltigen Flüssigkeit, insbesondere Softdrinks, aber auch Bier oder Sekt. Nach dem Stand der Technik werden PET-Flaschen im Streckblasvorgang hergestellt und anschließend auf einer Abkühlstrecke abgekühlt. Nach dem Durchlaufen der Abkühlstrecke werden die streckgeblasenen abgekühlten PET-Flaschen in einer Füllmaschine in der Regel zunächst mit einem Gas auf einen Druck oberhalb des Sättigungsdruckes der abzufüllenden Flüssigkeit vorgespannt. Dieser Gasdruck beträgt z.B. zwischen 4–7 bar je nach CO₂-Gehalt und Temperatur des abzufüllenden Getränks. Während des anschließenden Befüllens des Behälters wird der Druck im Behälter aufrechterhalten, um ein Ausschäumen des in der Flüssigkeit erhaltenen CO₂ zu verhindern.
Der zur Förderung der Flüssigkeit aus dem Füllgutkessel in den Behälter erforderliche Differenzdruck wird in der Regel durch den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit in der Füllmaschine bereitgestellt, so dass der Fülldruck, d.h. der Druck, mit welchem die Flüssigkeit in den Behälter einläuft, als auch der Gasdruck in dem Behälter unabhängig voneinander einstellbar sind. Die Abkühlstrecke zwischen der Streckblasmaschine und der Füllmaschine ist notwendig, damit die Behälter nach ihrer Herstellung durch Steckblasen soweit abkühlen, dass sie sich aufgrund der Druckbeaufschlagung beim Füllen nicht verformen.
Hier ist anzuführen, dass eine Verformung des Behälters, insbesondere seines Bodenbereichs sehr unerwünscht ist. Insbesondere für den automatisierten Transport und die weitere Handhabung des Behälters in Füllanlagen, Gruppierungsanlagen, Etikettieranlagen und Verpackungseinlagen ist eine vom Soll abweichende geometrische Gestalt des Behälters sehr hinderlich. Besonders störend ist es, wenn der Bodenbereich des Behälters unerwünscht verformt ist.
Der Nachteil der oben beschriebenen bekannten Lösung besteht darin, dass die Abkühlstrecke zum einen Platz innerhalb einer Herstellungs- und Füllanlage benötigt, und zum anderen, dass das Vorsehen einer Abkühlstrecke kostenaufwendig ist und in der Regel sogar Energie und Medien für den Abkühlvorgang benötigt. Ein Druckbefüllen mit CO₂-haltigen Getränken direkt nach dem Streckblasen ist nicht möglich, weil sich bei der Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids der gerade streckgeblasene, und somit noch heiße Behälter, insbesondere PET-Flasche, sogleich verformen würde. Dieser Sachverhalt wird in der Fachwelt allgemein als nachteilig angesehen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine kostengünstige Befüllung von streckgeblasenen Kunststoffbehältern mit CO₂-haltigen Getränken unter einem geringeren Platz- und Kostenaufwand ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind ebenfalls in der Beschreibung und in der Zeichnung beschrieben.
Erfindungsgemäß wird der vom Streckblasen kommende heiße Kunststoffbehälter, insbesondere PET-Behälter, unmittelbar nach dem Streckblasen mit Flüssigkeit gefüllt. Zu Beginn des Füllvorgangs wird dabei ein erster Druck im Behälter eingestellt, vorzugsweise Umgebungsdruck, der unter einem zweiten Druck liegt, auf welchen der Behälterdruck im Lauf der Befüllung, d.h. mit abnehmender Behältertemperatur und/oder zunehmendem Füllgrad erhöht wird. Dieser zweite Druck ist vorzugsweise der Solldruck für die Befüllung des Behälters mit einem bestimmten Getränk, das einen gewissen CO₂-Gehalt aufweist. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass aufgrund der Befüllung des Behälters zu Beginn unter einem niedrigeren ersten Druck, vorzugsweise unter Umgebungsdruck, die noch heiße Kunststoffflasche nicht aufgrund des im Behälter anliegenden Drucks deformiert wird.
Zudem wird durch die einlaufende Flüssigkeit der sensible Bodenbereich des Behälters gekühlt, so dass er auch bei einem nachfolgend angelegten größeren Behälterinnendruck nicht mehr deformiert wird. Wenn somit die eingefüllte Flüssigkeit den Bodenbereich und/oder zumindest Teile der Wandung des Behälters soweit abdeckt und/oder soweit abgekühlt hat, dass dieser bei einer Druckbeaufschlagung nicht mehr in unzulässiger Weise deformiert wird, kann der Behälter unter den Solldruck gesetzt werden, welcher dazu führt, dass die CO₂-haltige Flüssigkeit beim Einfüllen nicht ausgast.
Dieser Solldruck liegt bei CO₂-haltigen Softdrinks in der Regel zwischen 4,5 und 7 bar, abhängig vom CO₂-Gehalt, der Temperatur und der physikalischen Löslichkeit des CO₂ im Getränk. Durch den erfindungsgemäßen, mehrstufigen Füllvorgang mit geringem Anfangsdruck und einem höheren zweiten Druck, vorzugsweise Solldruck, wird sichergestellt, dass einerseits der Behälter nicht verformt, wenn er unmittelbar nach dem Streckblasen befüllt wird und dass andererseits eine sichere Befüllung auch stark CO₂-haltiger Flüssigkeiten, insbesondere Getränke, möglich ist. Die Erhöhung von dem ersten Druck auf den zweiten Druck kann in einem oder mehreren Schritten oder kontinuierlich also stufenlos erfolgen.
Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sofortige Befüllung des noch heißen Behälters möglich ist, spart man sich somit die Kühlstrecke zwischen der Streckblasmaschine und der Füllmaschine, was sowohl zu einer Platzeinsparung im Gebäude, als auch in einer Einsparung an Energie und/oder Kühlkomponenten einhergeht. Die Herstellungs- und Befüllungskosten lassen sich somit deutlich reduzieren, ohne dass die Handhabung der gerade frisch streckgeblasenen Behälter beim unmittelbar darauf folgenden Befüllen durch eine Verformung der Behälter beeinträchtigt wird. Die unmittelbar an das Streckblasen anschließende Befüllung erfolgt somit zumindest weitgehend verformungsfrei. Weiterhin reduziert sich das Risiko einer Kontamination der zu diesem Zeitpunkt noch offenen Behälter während ihres Transportes von der Blasmaschine zur Füllmaschine erheblich, da der Transportweg durch den Entfall der Kühlstrecke erheblich verkürzt wird und eine etwaige äußere Beaufschlagung mit Wasser zumindest teilweise entfällt.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, den Druck im Behälter zu steuern.
Prinzipiell ist zuerst einmal auszuholen, dass beim Befüllen eines Behälters zwei Drücke maßgeblich sind, der eine Druck ist derjenige, mit welcher die Flüssigkeit in den Behälter überführt wird, d.h. der Fülldruck der Flüssigkeit. Dieser Druck wird in der Regel durch den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit bereitgestellt, d.h. bedingt durch die Anordnung und Größe des Produktbehälters oberhalb der Füllmaschine und geometrische Parameter. Es ist natürlich auch möglich, die Flüssigkeit mit einem definierten Druck in den Behälter einzuspritzen, wozu beispielsweise eine Flüssigkeitspumpe verwendet werden kann. Alternativ kann der definierte Druck auch durch ein, druckbehaftetes Gaspolster oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Produktbehälters erzeugt werden. In beiden Fällen kann der Fülldruck der Flüssigkeit eingestellt werden, und zwar bevorzugt gesteuert und/oder geregelt.
Der andere relevante Druck beim Abfüllen von CO₂-haltigen Flüssigkeiten, insbesondere Getränken ist der (Gas) Druck innerhalb des Behälters, d.h. der Behälterinnendruck, um den es in der vorliegenden Erfindung geht. Beim Füllen wird der Behälter gasdicht mit einer Einfüllöffnung der Füllmaschine verbunden. Auf diese Weise ist der Gasdruck im Behälter steuerbar. Wichtig ist dies, um beim Abfüllen von CO₂-haltigen Getränken ein Ausgasen des CO₂ zu verhindern. Das Abfüllen einer derartigen Flüssigkeit (z.B. Softdrink) erfolgt daher unter einem erhöhten Solldruck, der z.B. 4 bis 7 bar betragen kann.
In der Füllmaschine wird dabei der Behälterinnenraum vorzugsweise zum einen mit einem Rückgaskanal als auch über eine Druckgasleitung mit einer Druckgasquelle verbunden.
Wird nun Flüssigkeit in den Behälter eingefüllt, ohne dass der Rückgaskanal oder die Druckgasquelle zum Behälterinnenraum hin geöffnet sind, steigt der Druck im Inneren des Behälters aufgrund des Volumens der in den geschlossenen, aber mit Gas (in der Regel Luft oder gewollt eingebrachten Inertgases) gefüllten Behälters einströmenden Flüssigkeit.
Wenn hingegen der Rückgaskanal geöffnet ist, bleibt der Druck im Behälter konstant auf Umgebungsdruck oder einem anderen eingestellten bzw. eingeregelten Druck. Wird hingegen der Behälterinnenraum mit der Druckgasquelle verbunden, so kann ein beliebiger Druck im Behälter entsprechend dem Druck der Druckgasquelle oder darunter eingestellt werden. Der Drucksollwert beim Abfüllen CO₂-haltiger Getränke liegt in der Regel in einem Bereich von etwa 4–8 bar, vorzugsweise von 5–7 bar.
Die Steuerung des Druckes wird vorzugsweise über eine Drucksteuerung der Füllmaschine realisiert, welche Steuerventile in dem Rückgaskanal und in der Druckgasleitung betätigt. Die Höhe des im Behälter eingestellten Drucks hängt in der Regel zum einen vom CO₂-Gehalt des einzufüllenden Getränks ab, als auch von der Löslichkeit des CO₂ im Getränk, sowie von der Temperatur des Getränks ab. Wenn somit das CO₂ beim Einfüllen leicht ausgast und der CO₂-Gehalt hoch ist, wie z.B. bei Sekt, muss der Druck im Behälterinnenraum beim Befüllen hoch eingestellt werden, um das Ausgasen des CO₂ zu verhindern. Wenn der CO₂-Gehalt geringer ist bzw. das CO₂ physikalisch besser, d.h. stabiler, dauerhafter im Getränk gebunden ist, kann der Druck geringer eingestellt werden. Der im Behälter eingestellte Druck dient somit insbesondere dazu, das Ausgasen von CO₂ beim Einfüllen des Getränks zu verhindern.
Eine Druckerhöhung auf den wenigstens einen zweiten Druck kann somit in vorteilhafter Weise bereits dadurch realisiert werden, dass während des Einfüllvorgangs der Rückgaskanal und die Druckgasleitung vom Behälterinnenraum getrennt werden. Man erreicht hierdurch, dass beim Einfüllen der Flüssigkeit das ausgasende CO₂ in dem Behälter verbleibt, was somit ebenfalls zu einem Druckanstieg im Behälterinnenraum führt. Somit kann der Druckanstieg von dem ersten geringen Druck, z.B. dem Umgebungsdruck, auf den höheren zweiten Druck allein aufgrund der Tatsache realisiert werden, dass der Rückgaskanal und auch die Druckgasleitung beim Einfüllen geschlossen sind und somit das im Behälter befindliche Gas nicht entweichen kann, welches durch die einströmende Flüssigkeit verdrängt wird. Zudem wird der Druck im Behälterinnenraum durch das ausgasende CO₂ erhöht, wobei der durch diesen Effekt bedingte Druckanstieg eher gering ausfällt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Temperatur des Behälters an zumindest einem Punkt gemessen, vorzugsweise in dessen Bodenbereich, der hinsichtlich möglicher Verformungen sehr sensibel ist.
Der Druck in dem Behälter wird dann vorzugsweise in Abhängigkeit von der gemessenen, sinkenden Temperatur erhöht. Wenn der Füllvorgang begonnen wird, strömt die Flüssigkeit zuerst in den Bodenbereich des Behälters, in der Regel der Flasche. Dies führt natürlich zu einer relativ schnellen Abkühlung des Behälters im Bodenbereich. Sobald diese Abkühlung erfasst wird, kann der Druck im Behälter und somit auch der Druck auf den Behälterinnenraum erhöht werden, um somit ein weiteres Ausgasen von CO₂ beim Einfüllen zu verhindern. Weiterhin kann in dem Augenblick auch der Rückgaskanal geöffnet werden, um eine Rückführung des durch die Flüssigkeit verdrängten Gases in den Produktbehälter oder in einen separaten Rückgaskanal zu ermöglichen.
Ein alternatives Verfahren, welches selbstverständlich auch zusammen mit dem temperaturabhängigen Verfahren durchgeführt werden kann, ist die Steuerung des Drucks über die Menge der eingefüllten Flüssigkeit. So wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die zugeführte Flüssigkeitsmenge gemessen, und der Druck im Behälter wird in Abhängigkeit von der zugeführten Flüssigkeitsmenge erhöht. Es kann z.B. vorher eine Flüssigkeitsmenge definiert werden, die ausreichend ist, um den gesamten Bodenbereich mit Flüssigkeit zu füllen. Die jeweils aktuell erreichte Füllmenge wird dann mit diesem Sollwert verglichen und sobald dieser erreicht ist, kann der Druck im Behälter auf einen höheren Druck, beispielsweise den Solldruck erhöht werden, der (Solldruck) was dazu führt, dass während des Einfüllens keine Ausgasung von CO₂ mehr stattfindet. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass eine Deformation des Behälters sicher ausgeschlossen ist.
Eine weitere Möglichkeit ist die Zeitsteuerung. Der Abkühlvorgang bzw. die benötigte Abkühlzeit wird wesentlich von der Materialeigenschaft der Wärmeleitung durch das PET bestimmt. Wenn die Flüssigkeitsmenge und die Dicke des Materials bekannt sind, können die Prozesse der Druckerhöhung und der Befüllung beispielsweise auch über eine Zeitsteuerung gesteuert werden.
In der Anmeldung werden folgende Ausdrücke synonym verwendet: Behälter – Flasche; Flüssigkeit – Getränk; Getränk – CO2-haltige Softdrinks, Bier, Sekt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Füllstand im Behälter gemessen und der Druck im Behälter wird in Abhängigkeit von dem Füllstand gesteuert, d.h. erhöht. Der Füllstand kann z.B. bei einer optischen Einrichtung gemessen werden, so dass die Messung kontaktlos sein kann. Der Druck wird dann vorzugsweise erhöht, wenn der Füllstand im Behälter so hoch ist, dass der gesamte Bodenbereich mit Flüssigkeit bedeckt ist, was sicherstellt, dass sich der Bodenbereich bei Beaufschlagung mit Solldruck, d.h. z.B. mit einem Druck von 4,5–7 bar nicht mehr verformt. Auch dieses Verfahren stellt eine verformungssichere Befüllung des Behälters unmittelbar nach dem Streckblasen sicher.
Vorzugsweise beträgt der erste Druck maximal 2 bar, insbesondere maximal 1,5 bar, vorzugsweise entspricht der erste Druck dem Umgebungsdruck (= 1bar) oder im Wesentlichen dem Umgebungsdruck, was dazu führt, dass auf die Innenwände des Behälters lediglich vergleichsweise geringe Kräfte wirken und somit die Verformungsneigung des Behälters gering ist. Da der Behälter im Laufe des Füllvorgangs durch die einlaufende Flüssigkeit weiter gekühlt wird, kann der Druck dann im Verlauf des Vorgangs auf den zweiten Druck erhöht werden, der vorzugsweise dem Solldruck entspricht. Auf diese Weise kann eine schnelle CO₂-ausgasungsfreie Befüllung des Behälters sichergestellt werden.
Vorzugsweise ist zum Befüllen einer Flüssigkeit ein Solldruck vorgegeben, der abhängig ist von dem CO₂-Gehalt der Flüssigkeit und chemischen/physikalischen Parametern, die Auswirkungen auf die Bindung des CO₂ in der Flüssigkeit haben. Eine Druckerhöhung in dem Behälter während des Befüllens wird daher vorzugsweise realisiert, in dem der Rückgaskanal bis zu einem vorgegebenen Füllstand geschlossen wird und ab dem Erreichen des vorgegebenen Füllstands der Druck, beispielsweise durch das Öffnen der Druckgaszufuhr, auf den Solldruck (zweiter Druck) erhöht wird. Während der anfänglichen Phase bis zum vorgegebenen Füllstand, d.h. vorzugsweise bis zu einem Füllstand, in welchem der Bodenbereich bedeckt ist, steigt somit der Druck vom Umgebungsdruck leicht an, basierend auf der Tatsache, dass das durch die einströmende Flüssigkeit verdrängte Gas nicht aus dem Behälter entweichen kann und basierend auf dem, aus der Flüssigkeit beim Einfüllen ausgasenden CO₂. Wenn der vorgegebene Füllstand, d.h. also ein Füllstand, bei dem vorzugsweise der Bodenbereich bedeckt ist, insbesondere aber eine hinreichende Abkühlung des Behälters erreicht ist, kann der Druck auf den zweiten Druck, vorzugsweise den Solldruck erhöht werden, ohne dass eine nennenswerte Verformung des Behälters auftritt, vor allem ohne dass eine nennenswerte Verformung des Behälters im Bodenbereich auftritt, welcher für die weitere Handhabung des Behälters wesentlich ist. Vorzugsweise wird in diesem Fall der Rückgaskanal geöffnet, nachdem der zweite Druck den Solldruck erreicht hat.
Es ist möglich, dass der Druck im Behälter durch kontinuierliche Zufuhr von Fluiden kontinuierlich erhöht wird, was jedoch verfahrenstechnisch aufwendiger ist.
Alternativ kann der Druck im Behälter auch stufenweise erhöht werden. So wird der Behälterinnenraum vorzugsweise zu Beginn des Füllvorgangs auf Umgebungsdruck gehalten, der allenfalls leicht ansteigt, wenn der Rückgaskanal geschlossen bleibt und anschließend wird die Druckgasleitung geöffnet, die den Behälterinnenraum mit einer Druckgasquelle verbindet, so dass der Druck in dem Behälter vergleichsweise schnell auf Solldruck ansteigt, d.h. auf einen Druck von etwa 3–8 bar, insbesondere 4–7 bar, bevorzugt 5–6 bar entsprechend den Parametern der einzufüllenden Flüssigkeit. Mehr im Detail könnte ein solches Verfahren zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte beinhalten:

– Anpressen des Behälters an das Füllventil bei Umgebungsdruck
– (langsames) Teilanfüllen, wobei Rückgaskanal und Druckgasleitung geschlossen sind, bis der Behälter durch Abkühlung hinreichend stabil ist
– Vorspannen auf Solldruck und gleichzeitiges Beginnen des Schnellfüllens
– Langsames Füllen gegen Ende des Füllvorgangs
– Beruhigungsphase
– Entlastung
– Lösen des Behälters vom Füllventil

Falls der Vorgang der Druckerhöhung das Füllen beeinträchtigt, können die Druckerhöhung und das Füllen auch alternierend vorgenommen werden, so dass während der Druckerhöhung die Befüllung kurz unterbrochen wird. Diese Ausführungsform ist jedoch nicht so zu bevorzugen, weil vorzugsweise der Füllvorgang kontinuierlich vom Beginn bis zum Ende ohne Unterbrechung durchgeführt wird, was zu einer schnelleren und verwirbelungsfreieren Befüllung des Behälters führt. Falls der Vorgang der Druckerhöhung das Füllen beeinträchtigt, kann während des Füllens auch eine Druckentlastung vorgenommen werden.
Vorzugsweise wird der Solldruck im Behälter zum Einfüllen einer kohlensäurehaltigen Flüssigkeit zwischen 4–8 bar, insbesondere zwischen 5 und 7 bar eingeregelt. Dies ist möglich, indem eine entsprechende Druckgasquelle mit dem Behälterinnenraum verbunden ist. Als Druckgas wird insbesondere CO₂ oder ein Inertgas, wie z.B. Stickstoff verwendet, um eine Oxidierung des Getränks zu vermeiden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Behälter bis zu einem ersten Füllgrad gefüllt, wobei diese anfängliche Befüllung unter dem ersten Druck stattfindet. Dieser erste Druck, der vorzugsweise der Umgebungsdruck ist, wird entweder kontinuierlich beibehalten oder steigt aufgrund der Verdichtung des im Behälter befindlichen Gases durch das Volumen der einströmenden Flüssigkeit und evtl. durch aus der Flüssigkeit ausgasendes CO₂, welchen ebenfalls den Druck im Behälter erhöht, lediglich leicht an.
Nach Erreichen des ersten Füllgrades wird der Behälter vollständig unter dem wenigstens zweiten Druck befüllt. Der zweite Druck ist vorzugsweise der Solldruck, so dass die weitere Befüllung des überwiegenden Anteils der Füllmenge unter Solldruck stattfindet und somit ohne die weitere Ausgasung von CO₂ während des Füllvorgangs. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden 2–30%, insbesondere 5–20% der Sollfüllmenge unter dem ersten Druck im Behälter eingefüllt. Diese Menge stellt sicher, dass der für die Handhabung des Behälters relevante Bodenbereich mit Flüssigkeit in Kontakt ist, wodurch dieser bei einer Druckbeaufschlagung des Behälters nicht mehr verformt werden kann.
Obwohl es möglich ist, die Flüssigkeit dem Behälter unter Druck zuzuführen, wird das Füllen des Behälters vorzugsweise mittels des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeit durchgeführt, was verfahrenstechnisch einfacher zu regeln ist.
Es ist selbstverständlich möglich, die Art der Einbringung der Flüssigkeit zu variieren. So kann z.B. zu Beginn der Befüllung unter dem ersten Druck der eingebrachte Flüssigkeitsstrahl durch ein entsprechendes Auffächerungselement etwas aufgefächert werden, um somit zu einer großflächigeren Benetzung des Behälterinnenraums durch die Flüssigkeit zu gelangen, was eine effektivere Abkühlung des Behälters mit sich bringt. Für den weiteren Befüllvorgang kann dann diese Auffächerung des einlaufenden Flüssigkeitsstrahls abgeschaltet werden.
Insbesondere kann die Befüllung im Freistrahlverfahren, d.h. mit zentralem Flüssigkeitsstrahl erfolgen, wobei die Gaszu- und/oder Gasableitung durch Gaswege erfolgen, die neben dem zentralen Flüssigkeitsstrahl erfolgen. Alternativ kann die Befüllung auch in einem Verfahren erfolgen, bei dem die Flüssigkeit an der Behälterwandung entlang in den Behälter strömt und wobei die Gasführung zentral, also in der Mitte des Behälters erfolgt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Herstellen und Befüllen von Kunststoffbehältern, insbesondere Flaschen, insbesondere PET-Flaschen. Die Vorrichtung umfasst eine Streckblasmaschine und eine der Streckblasmaschine nachgeordnete Füllmaschine. Gemäß der Erfindung ist die Füllmaschine unmittelbar neben der Streckblasmaschine angeordnet, d.h. in direkter Verbindung damit, so dass keine Abkühlstrecke zwischen der Streckblasmaschine und der Füllmaschine angeordnet ist. Die Füllmaschine ist dazu konzipiert, die von der Streckblasmaschine kommenden, noch heißen Behälter während des Beginns des Befüllens unter einen ersten Druck zu setzen und im Verlauf des Füllvorgangs den Druck im Behälter zum vollständigen Füllen des Behälters auf wenigstens einen zweiten Druck zu erhöhen, insbesondere auf den Solldruck, der für das entsprechende Getränk relevant ist.
Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass ein Befüllen der noch heißen streckgeblasenen Behälter direkt nach der Herstellung möglich ist, ohne dass diese sich in einer Weise verformen, die die Handhabung in den nachlaufenden Behandlungsabschnitten, wie z.B. Etikettieren, Gruppieren oder Verpacken beeinträchtigt. Hinsichtlich der weiteren Merkmale und Vorteile dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf das oben beschriebene Verfahren Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise in der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Herstellen und Füllen von PET-Flaschen;
2 ein Detail der Füllmaschine aus 1 zum gasdichten Steuern des Drucks im Behälterinnenraum während des Füllens;
3 verschiedene Möglichkeiten zum Steuern des Drucks während des Befüllens der Flasche in Abhängigkeit vom Füllgrad, und
4 drei mögliche Verfahren zur Steuerung des Drucks im Behälter über die Zeit.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Herstellen und Füllen von PET-Flaschen. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Streckblasmaschine 12 und eine direkt danach angeordnete Füllmaschine 14. Die beiden Maschinen 12, 14 können direkt aneinandergrenzen. Es ist keine Abkühlstrecke dazwischen angeordnet. Der Streckblasmaschine 12 werden beispielsweise Behälter-Preforms 16 zugeführt, welche der Streckblasmaschine 12 unter Hitze auf eine Behälterform, insbesondere Flaschenform geblasen werden. Alternativ kann der Prozess der Behälterherstellung auch mit der Zufuhr von PET-Pellets beginnen. Die noch heißen Flaschen 17 werden der direkt nachgeordneten Füllmaschine 14 übergeben, welche einen Produktbehälter 16, beispielsweise einen Füllgutkessel oder eine Produktzufuhrleitung, aufweist, um der Füllmaschine 14 ein CO₂-haltiges Getränk zuzuleiten. Darüber hinaus hat die Füllmaschine 14 eine Drucksteuerung 18, die mit einer Druckgasquelle 20 verbunden ist. Über die Drucksteuerung 18 in Verbindung mit der Druckgasquelle 20 kann der Behälterinnendruck während des Befüllens in gewünschter Weise gesteuert werden. Vorzugsweise weist die Füllmaschine 14 eine Rückgassenke auf, welche die Möglichkeit bietet, das Rückgas definiert abzuleiten.
Hierbei wird auf 2 verwiesen, die beispielhaft ein Detail der Füllmaschine 14 zeigt, und zwar den Bereich ihrer Abgabeöffnung 22, die während des Füllvorgangs mit einer Behälteröffnung 24 über eine Manschette 26 gasdicht verbunden wird. Über ein Füllventil 28 strömt ein Flüssigkeitsstrahl 30 in den Behälterinnenraum 32 des Behälters 25 ein. Der Behälterinnenraum 32 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Rückgaskanal 34 mit dem Produktbehälter 16 verbunden und über eine Druckgasleitung 36 mit der Druckgasquelle 20. Durch die Steuerung und/oder Regelung des Rückgaskanals 34 und der Druckgasleitung 36 lässt sich der Druck im Behälterinnenraum 32 während des Befüllens individuell steuern, um somit einem unterschiedlichen Füllverhalten unterschiedlicher Getränke, d.h. insbesondere von Getränken mit unterschiedlichem CO₂-Gehalt Rechnung zu tragen. Mögliche Druckverläufe während des Befüllens eines Behälters sind in den 3 und 4 dargestellt.
In 3 ist der Druck p im Behälterinnenraum 32 über den Füllgrad Fg dargestellt. Der Füllgrad Fg ist in Prozent von der in den Behälter 25 einzufüllenden Gesamtfüllmenge angegeben.
Gemäß einer beispielhaften Füllkurve a wird der Druck im Behälterinnenraum 32 auf 1 bar, d.h. auf Umgebungsdruck gehalten, was dadurch realisiert wird, dass das Füllventil 28 geöffnet wird und der Flüssigkeitsstrahl 30 in den Behälter 25 einläuft. Dadurch, dass der Rückgaskanal 34 geöffnet wird, führt das Einlaufen der Flüssigkeit und das Ausblasen von CO₂ aus der einlaufenden Flüssigkeit nicht zu einem Druckanstieg innerhalb des Behälters 25. Sobald 10% der einzufüllenden Gesamtmenge in den Behälter eingefüllt sind, wird der Rückgaskanal geschlossen, worauf unmittelbar anschließend die Druckgasleitung 36 geöffnet wird, wodurch der Druck im Behälter 25 vergleichsweise schnell auf den Sollfülldruck von 6,5 bar ansteigt, welcher bis zum vollständigen Befüllen des Behälters aufrechterhalten wird.
In einer zweiten möglichen Füllsteuerung gemäß Füllkurve b wird das Füllventil 28 geöffnet, so dass der Flüssigkeitsstrahl 30 in den Behälter 25 einläuft. Im Unterschied zur Verfahrensführung a wird hier jedoch der Rückgaskanal sofort oder aber auch bereits vor dem Öffnen des Füllventils 28 geschlossen, was dazu führt, dass der Druck im Behälter durch das verdrängte Gas und auch durch das Ausgasen von CO₂ aus der Flüssigkeit auf einen Wert von ungefähr 1,4 bar ansteigt. Sobald der Füllstand z.B. 10 oder 20%, im vorliegenden Fall 20% erreicht hat, wird die Druckgasleitung 36 geöffnet und der Druck im Behälter steigt vergleichsweise schlagartig auf den Solldruck von 6,5 bar an. In diesem Zusammenhang ist anzuführen, dass der Druck bei geöffneter Druckgasleitung 36 natürlich nicht in beliebig kurzer Zeit auf den Solldruck ansteigen kann, sondern der Druck muss über die Druckgasleitung 36 von der Druckgasquelle 20 erst einmal in den Behälterinnenraum gelangen, was eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Daher ist also auch bei einer sofortigen kompletten Öffnung der Druckgasleitung 36 der Druckanstieg nicht infinitesimal schnell, sondern benötigt eine gewisse Zeit. Beispielsweise beträgt diese Zeit für einen Behälter mit einem Volumen von 500 ml etwa 500ms. Selbstverständlich kann das Ventil zum Öffnen in der Druckgasleitung 36 auch ein Regelventil sein, über das sich der zeitliche Verlauf des Druckanstiegs im Behälter einstellen lassen kann. So kann ein Regelventil 37 in der Druckgasleitung 36 so eingestellt werden, dass der Druckaufbau bis zum Solldruck 1–3 sec. oder auch länger in Anspruch nimmt, d.h. das der Öffnungsgrad des Regelventils ist steuerbar.
Einen solchen Fall zeigt die Füllkurve c aus 3, wo der Füllvorgang bei geschlossener Rückgasleitung bei Umgebungsdruck begonnen wird und das Regelventil 37 in der Druckgasleitung 36 das Druckgas langsam öffnet, so dass der Solldruck erst bei einem Füllgrad von über 30% erreicht wird.
Gemäß Füllkurve d kann das Regelventil 37 so geregelt werden, dass der Solldruck erst dann erreicht wird, wenn die Flasche vollständig befüllt ist. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass während des Füllens keine Kanäle ab- oder zugeschaltet werden müssen. Dieses Verfahren ist somit sehr kontinuierlich und homogen. Auch bei diesem Verfahren ist die Rückgasleitung spätestens mit Beginn der Füllung geschlossen.
Gemäß Füllkurve e kann auch vorgesehen sein, dass der Behälter bis zu einem gewissen Füllgrad von z.B. 10–30%, im vorliegenden Fall 10%, unter Umgebungsdruck vorgefüllt wird und anschließend der Druck schnell auf einen zweiten Druck p2 erhöht wird, welcher im vorliegenden Fall etwa 4 bar beträgt, woraufhin der weitere Druckanstieg auf den Solldruck von 6,5 bar nur noch langsam über die Steuerung des Regelventils 37 erfolgt, so dass dieser Solldruck erst kurz vor oder bei Erreichen der vollständigen Befüllung des Behälters erreicht wird.
Während der 3 mögliche Druckverläufe beim Befüllen des Behälters in Abhängigkeit von Füllgrad aufzeigt, sind in 4 drei mögliche Verfahren zur zeitabhängigen Drucksteuerung aufgezeigt. Es wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Befüllung der Flasche bei t = 0 beginnt und bis zur vollständigen Befüllung 7 Sekunden dauert. Das Befüllen kann je nach Flaschengröße und anderen Parametern selbstverständlich zwischen 3 und 20 Sekunden in Anspruch nehmen. Somit zeigt die Abszisse des Diagramms aus 4 die Zeit, während der Ordinate den Druck im Behälter anzeigt.
In allen Beispielen der 3 und 4 ist der Fülldruck der Flüssigkeit durch den hydrostatischen Druck gegeben, der apparatetechnisch definiert ist.
Gemäß Füllkurve f wird der Behälterinnenraum 1 sec. lang unter Umgebungsdruck gehalten, was dadurch realisiert wird, dass sowohl das Füllventil 28 als auch der Rückgaskanal 34 geöffnet werden. Anschließend wird das Regelventil 37 geöffnet, so dass der Behälterinnenraum 32 über die Druckgasleitung 36 mit der Druckgasquelle 20 verbunden wird, wodurch der Druck innerhalb von ca. 0,2 bis 0,5 sec. auf den Solldruck von 6,5 bar ansteigt.
Füllkurve g zeigt eine weitgehend identische Verfahrensführung, bei der im Gegensatz zur Verfahrensführung f der Rückgaskanal 34 geschlossen bleibt, so dass der Druck innerhalb der ersten Sekunde aufgrund des durch die Flüssigkeit verdrängten Gases als auch durch das austretende CO₂ etwas ansteigt.
Schließlich ist die Füllkurve h dargestellt. Hier wird über die gesamte Füllzeit der Druck in linearer Weise sukzessive aufgebaut bis zum Ende des Füllvorgangs nach 7 Sekunden.
Die dargestellten Verfahrensverläufe zur Steuerung des Drucks im Behälter während des unmittelbar nach dem Streckblasen erfolgenden Befüllens der Behälter (Füllkurven) sollen in keiner Weise beschränkend verstanden werden. Stattdessen ist die Erfindung ausführbar im Rahmen der nachgeordneten Patentansprüche.
Bezugszeichenliste

10: Herstell- und Füllvorrichtung für PET-Flaschen
12: Streckblasmaschine
14: Füllmaschine
16: Produktbehälter
18: Drucksteuerung
20: Druckgasquelle
22: Abgabeöffnung
24: Behälteröffnung
25: zu füllende PET-Flasche
26: Manschette
28: Füllventil
30: Flüssigkeitsstrahl
32: Behälterinnenraum
34: Rückgaskanal
35: Steuerventil für Rückgaskanal
36: Druckgasleitung
37: Steuerventil/Regelventil für Druckgasleitung

Claims

Verfahren zum Befüllen von durch Streckblasen hergestellten Kunststoff-Behältern (25), ins besondere aus PET mit einer, insbesondere CO₂-haltigen, Flüssigkeit (30), dadurch gekennzeichnet, dass der vom Streckblasen kommende noch warme Behälter unmittelbar nach dem Streckblasen mit der Flüssigkeit befüllt wird, wobei der Behälter (25) während des Beginns der Befüllung unter einen ersten Druck (p1) gesetzt wird und der Druck im Behälter mit abnehmender Behältertemperatur und/oder zunehmendem Füllgrad auf wenigstens einen zweiten Druck (p2) erhöht wird, der höher als der erste Druck ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Behälter (25) erhöht wird, indem beim Einfüllen der Flüssigkeit (30) ausgasendes CO₂ davon abgehalten wird, den Behälter (25) zu verlassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Behälters (25) an zumindest einem Punkt gemessen wird, und der Druck im Behälter in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur erhöht oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Menge an Flüssigkeit (30) gemessen wird, und der Druck im Behälter (25) in Abhängigkeit von der zugeführten Menge erhöht oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand im Behälter gemessen wird, und der Druck in Abhängigkeit von dem Füllstand erhöht oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Behälter (25) in Abhängigkeit von der Füllzeit erhöht oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck (p1) maximal zwei bar beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der erste Druck (p1) maximal dem 1,5 fachen Umgebungsdruck, vorzugsweise dem Umgebungsdruck (U) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zum Befüllen ein Solldruck vorgegeben ist, und dass die Druckerhöhung realisiert wird, indem bis zu einem vorgegebenen Füllstand der Rückgaskanal (34) geschlossen (35) wird und ab dem vorgegebenen Füllstand der zweite Druck (p2) auf den Solldruck erhöht (36, 37) wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückgaskanal (34) geöffnet wird, nachdem der zweite Druck (p2) den Solldruck erreicht hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Behälter (25) stufenweise erhöht und/oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhung und das Füllen alternierend vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Solldruck im Behälter (25) zum Einfüllen einer kohlensäurehaltigen Flüssigkeit (30) zwischen 4 und 8 bar, insbesondere zwischen 5 und 7 bar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 2 bis 30%, insbesondere 5 bis 20% der Sollfüllmenge unter dem ersten Druck (P1) in den Behälter (25) eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis der Behälter unter dem ersten Druck (p1) zu einem ersten Füllgrad gefüllt wird, und dass die Befüllung des Behälters (25) vom ersten Füllgrad bis zur vollständigen Füllung unter dem wenigstens einen zweiten Druck (p2) stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllen des Behälters (25) mittels des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeit (30) durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Herstellen und Befüllen von Kunststoffbehältern (25), insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Vorrichtung eine Streckblasmaschine (12) und eine der Streckblasmaschine nachgeordnete Füllmaschine (14) zum Befüllen der Behälter mit einer CO₂-haltigen Flüssigkeit (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmaschine (14) unmittelbar neben der Streckblasmaschine (12) angeordnet ist, und dass die Füllmaschine (14) konzipiert ist, die von der Streckblasmaschine kommenden noch heißen Behälter (25) während des Beginns des Befüllens unter einen ersten Druck (p1) zu setzen, und anschließend den Druck im Behälter zum vollständigen Füllen des Behälters auf wenigstens einen zweiten Druck (p2) zu erhöhen.